Trang 1 VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAMHỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆNguyễn Đình HòeNGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC CỦA HẠT CHẤT LỎNG VỚI BỀ MẶTRẮN DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA MAO DẪN NHIỆTLUẬN ÁN TIẾN SĨ C
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Đình Hòe NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC CỦA HẠT CHẤT LỎNG VỚI BỀ MẶT RẮN DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA MAO DẪN NHIỆT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC CHẤT LỎNG VÀ CHẤT KHÍ Hà Nội - 2023 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Đình Hòe NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC CỦA HẠT CHẤT LỎNG VỚI BỀ MẶT RẮN DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA MAO DẪN NHIỆT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC CHẤT LỎNG VÀ CHẤT KHÍ Mã số: 9 44 01 08 Xác nhận của Học viện Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Khoa học và Công nghệ (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Hà nội - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu trong luận án này là công trình nghiên cứu của tôi dựa trên những tài liệu, số liệu do chính tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu Chính vì vậy, các kết quả nghiên cứu đảm bảo trung thực và khách quan nhất Đồng thời, kết quả này chưa từng xuất hiện trong bất cứ một nghiên cứu nào Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật Nghiên cứu sinh Nguyễn Đình Hòe ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, NCS xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và tận tình chỉ bảo của PGS.TS Vũ Văn Trường và TS Nguyễn Hồng Phan đã giúp đỡ NCS hoàn thành luận án tiến sĩ này NCS xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong quá trình NCS học tập tại Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các bạn trong nhóm Nghiên cứu “Cơ học lưu chất ứng dụng, Khoa Kỹ thuật Ô tô và Năng lượng, Trường Đại học Phenikaa” do PGS.TS Vũ Văn Trường hướng dẫn NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cá nhân và tập thể thuộc Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện, giúp đỡ rất nhiệt tình trong quá trình học tập và nghiên cứu Cuối cùng NCS xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến ông, bà, bố mẹ, anh em trong gia đình, bạn thân của NCS đã có những hỗ trợ về vật chất cũng như tình thần giúp NCS hoàn thiện luận án Nghiên cứu sinh Nguyễn Đình Hòe iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ……………………………………………………………………….ii MỤC LỤC ………………………………………………………………………….iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG .ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .x MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………………1 Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4 1.1 Các khái niệm cơ bản và định nghĩa 4 1.2 Các nghiên cứu về tương tác của hạt chất lỏng với bề mặt rắn có tính đến ảnh hưởng của mao dẫn nhiệt trên thế giới 5 1.2.1 Tương tác dạng cản trở .6 1.2.2 Tương tác dạng trực tiếp 9 1.3 Tình hình nghiên cứu tương tác của hạt chất lỏng với bề mặt rắn có kể đến mao dẫn nhiệt ở Việt Nam 13 1.4 Một vài nhận xét về tình hình nghiên cứu chuyển động của hạt chất lỏng trên bề mặt rắn dưới tác động của mao dẫn nhiệt ở trên thế giới và ở Việt Nam 14 Chương 2 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TƯƠNG TÁC CỦA HẠT CHẤT LỎNG VỚI BỀ MẶT RẮN DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA MAO DẪN NHIỆT.15 2.1 Các hệ phương trình cơ bản và giả thiết đóng kín .15 2.2 Phương pháp theo dấu biên … 16 2.2.1 Xây dựng biên phân cách 16 2.2.2 Xác định đặc tính cho từng chất lỏng 17 2.2.3 Tính toán sức căng bề mặt 19 2.2.4 Di chuyển biên phân cách .19 2.2.5 Mô hình toán thể hiện động lực học góc tiếp xúc giữa bề mặt rắn và hạt chất lỏng 20 2.3 Phương pháp giải và lược đồ giải .23 2.3.1 Rời rạc hóa thành phần khuếch tán và thành phần đối lưu .24 2.3.2 Điều kiện biên cho vận tốc 26 2.3.3 Xấp xỉ hóa phương trình năng lượng 27 2.3.4 Điều kiện biên cho nhiệt độ 28 2.3.5 Lược đồ giải 29 2.4 Nhận xét về kết quả đạt được .30 iv 2.4.1 Hạt chất lỏng hai lớp di chuyển trong kênh dẫn thẳng (tương tác dạng cản trở) .30 2.4.2 Hạt chất lỏng tương tác trực tiếp với bề mặt rắn 31 2.5 Kết luận chương 2 34 Chương 3 MÔ PHỎNG TƯƠNG TÁC CỦA HẠT CHẤT LỎNG ĐA LỚP VỚI BIÊN DẠNG CỦA KÊNH DẪN THẮT LẠI TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẲNG NHIỆT…………………………………………………………………………… 36 3.1 Mô hình bài toán và phương pháp mô phỏng 36 3.2 Kết quả và thảo luận 39 3.2.1 Ảnh hưởng của số mao dẫn 42 3.2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ bán kính giữa hạt chất lỏng bên trong và bên ngoài 44 3.2.3 Ảnh hưởng của tỷ số sức căng bề mặt của hạt chất lỏng bên trong với hạt chất lỏng bên ngoài 45 3.2.4 Ảnh hưởng của tỷ số giữa bán kính hạt chất lỏng bên ngoài và bán kính kênh dẫn .47 3.2.5 Ảnh hưởng của độ thắt lớn nhất của kênh dẫn 48 3.2.6 Biểu đồ trạng thái 49 3.3 Kết luận chương 3 49 Chương 4 MÔ PHỎNG TƯƠNG TÁC CỦA HẠT CHẤT LỎNG VỚI BỀ MẶT RẮN KHÔNG DÍNH ƯỚT CÓ KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA MAO DẪN NHIỆT…………………………………………………………………………… 52 4.1 Mô hình bài toán và phương pháp mô phỏng 52 4.2 Kết quả và thảo luận 55 4.2.1 Ảnh hưởng của số Marangoni 58 4.2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích giữa hạt chất lỏng bên trong và bên ngoài 59 4.2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ sức căng bề mặt của hạt chất lỏng bên trong và bên ngoài 62 4.2.4 Ảnh hưởng của số Bond 63 4.2.5 Ảnh hưởng của số Weber 64 4.2.6 Ảnh hưởng của số Reynolds 66 4.2.7 Biểu đồ trạng thái 67 4.3 Kết luận chương 4 68 Chương 5 MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT CHẤT LỎNG TRÊN BỀ MẶT DÍNH ƯỚT DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA MAO DẪN NHIỆT 70 5.1 Mô hình bài toán và phương pháp mô phỏng 70 5.2 Kết quả và thảo luận 72 5.2.1 Ảnh hưởng của tỷ số độ nhớt giữa chất lỏng bên ngoài và chất lỏng trung gian 74 5.2.2 Ảnh hưởng của tỷ số bán kính tương đương của hạt chất lỏng bên ngoài và bán kính hạt chất lỏng bên trong 76 5.2.3 Ảnh hưởng của góc tiếp xúc tĩnh 77 5.2.4 Biểu đồ trạng thái 78 5.3 Kết luận chương 5 79 v KẾT LUẬN CHUNG 81 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI .82 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA NCS 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO .84 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký Đơn vị Ý nghĩa J/(kg.K) hiệu m Bo Số Bond m m Ca Số mao dẫn W/(m.K) cp Hệ số nhiệt dung riêng đẳng áp m f Biên phân cách N/m2 FT Phương pháp theo dấu biên m m H Chiều cao miền tính toán m Hm Chiều cao lớn nhất mà hạt chất lỏng có thể nảy lên Hs Chiều cao ổn định của hạt chất lỏng trên bề mặt rắn Ii Hàm chỉ thị của biên bên trong Io Hàm chỉ thị của biên bên ngoài kmo Tỷ số dẫn nhiệt của chất lỏng trung gian với chất lỏng bên ngoài kio Tỷ số dẫn nhiệt của chất lỏng ở trong với chất lỏng bên ngoài k Hệ số dẫn nhiệt LS Phương pháp Level-set Ma Số Marangoni nf Véc tơ pháp tuyến tại mặt phân cách Oh Số Ohnesorge p Áp suất pn Áp suất không thứ nguyên Re Số Reynolds Ri Bán kính hạt chất lỏng bên trong Ro Bán kính hạt chất lỏng bên ngoài Rio Tỷ số bán kính giữa hạt chất lỏng bên trong và bên ngoài r Tọa độ hướng tâm vii s Độ dài cung dọc theo bề mặt m s t Thời gian s oC, K tc Thời gian tham chiếu s T Nhiệt độ m/s Tn Nhiệt độ không thứ nguyên m/s m/s tr Thời gian mà hạt chất lỏng tiếp xúc với bề mặt rắn m t Thời gian không thứ nguyên m kg/(m.c) u Véc tơ vận tốc kg/(m.c) kg/(m.c) Uc Vận tốc tham chiếu kg/m3 kg/m3 Vf Vận tốc của các điểm trên biên phân cách kg/m3 N/m VOF Phương pháp thể tích chất lỏng N/m W Chiều rộng miền tính toán z Tọa độ hướng trục µi Độ nhớt động lực học của chất lỏng bên trong µm Độ nhớt động lực học của chất lỏng trung gian µo Độ nhớt động lực học của chất lỏng bên ngoài ri Khối lượng riêng của chất lỏng bên trong rm Khối lượng riêng của chất lỏng trung gian ro Khối lượng riêng của chất lỏng bên ngoài si Sức căng bề mặt của hạt chất lỏng bên trong sio Tỷ số sức căng bề mặt giữa hạt chất lỏng bên trong và bên ngoài so Sức căng bề mặt của hạt chất lỏng bên ngoài µio Tỷ số độ nhớt giữa chất lỏng bên trong và bên ngoài µmo Tỷ số độ nhớt giữa chất lỏng trung gian và bên ngoài rio Tỷ số khối lượng riêng giữa chất lỏng bên trong và bên ngoài rmo Tỷ số khối lượng riêng giữa chất lỏng trung gian và bên ngoài viii x Hoành độ m Xco Hoành độ của trọng tâm hạt chất lỏng bên ngoài m Xci Hoàn độ của trọng tâm hạt chất lỏng bên trong m y Tung độ m Yco Tung độ của trọng tâm hạt chất lỏng bên ngoài m Yci Tung độ của trọng tâm hạt chất lỏng bên trong m We Số Weber qe Góc tiếp xúc tĩnh của hạt chất lỏng và bề mặt rắn ° qD Góc tiếp xúc động của hạt chất lỏng và bề mặt rắn ° qDi Góc tiếp xúc giả định ° q0 Góc tiếp xúc ban đầu của hạt chất lỏng và bề mặt rắn °